[论文解读] High Dynamic Range mmWave Massive MU-MIMO with Householder Reflections

Victoria Palhares, Gian Marti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Microwave Engineering and Waveguides被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种名为高动态范围（HDR）MIMO的新框架，用于毫米波大规模多用户多输入多输出（MU-MIMO）系统，通过使用低分辨率模数转换器（ADCs），实现对强信号和弱信号用户设备（UEs）的同时接收。通过采用自适应Householder反射，将最强UE的信号能量聚焦到专用ADC上，HDR MIMO减轻了量化噪声和ADC饱和问题，同时数字均衡技术实现了可靠的数据检测。仿真结果表明，与传统系统相比，该方法在高功率动态范围和低分辨率条件下显著提升了误码率（BER）性能。

ABSTRACT

All-digital massive multiuser (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) at millimeter-wave (mmWave) frequencies is a promising technology for next-generation wireless systems. Low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) can be utilized to reduce the power consumption of all-digital basestation (BS) designs. However, simultaneously transmitting user equipments (UEs) with vastly different BS-side receive powers either drown weak UEs in quantization noise or saturate the ADCs. To address this issue, we propose high dynamic range (HDR) MIMO, a new paradigm that enables simultaneous reception of strong and weak UEs with low-resolution ADCs. HDR MIMO combines an adaptive analog spatial transform with digital equalization: The spatial transform focuses strong UEs on a subset of ADCs in order to mitigate quantization and saturation artifacts; digital equalization is then used for data detection. We demonstrate the efficacy of HDR MIMO in a massive MU-MIMO mmWave scenario that uses Householder reflections as spatial transform.

研究动机与目标

• 解决配备低分辨率ADC的全数字毫米波大规模MU-MIMO基站中高动态范围信号的挑战。
• 在不丢弃任何信号的前提下，实现对强弱UE的同时检测，区别于传统干扰对消方法。
• 开发一种硬件友好的模拟波束成形预处理技术，以保持所有UE的信号完整性。
• 证明Householder反射作为自适应空间变换，在毫米波系统中实现动态范围管理的有效性。

提出的方法

• 提出HDR MIMO，一种两阶段框架，结合模拟波束成形变换与数字均衡，以管理高动态范围信号。
• 采用Householder反射（HRs）作为自适应模拟波束成形变换，将最强UE的信号或接收功率最高的信号维度聚焦到部分ADC上。
• 提出两种HR变体：HR-ISO用于隔离最强UE，HR-MAX用于聚焦于接收功率最大的信号维度。
• 在变换后使用数字均衡技术检测所有UE的数据，包括弱信号UE，即使存在ADC量化和饱和问题。
• 应用由向量 v̂ = a − αe_i 导出的Householder矩阵 Q̂v，其中最优 α = −||a||sign([a]_i)，以最大化信号能量投影。
• 利用Householder矩阵的酉性质，保持信号能量并确保能量聚焦的理论最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自适应模拟波束成形变换是否能有效缓解低分辨率ADC下毫米波大规模MU-MIMO系统中的ADC饱和与量化噪声？
• RQ2 当强弱UE共用同一时频资源时，HDR MIMO相较于传统系统性能如何？
• RQ3 在使用小规模与大规模模拟波束成形变换时，系统有效性与硬件复杂度之间的权衡如何？
• RQ4 使用Householder反射是否能实现最优能量聚焦，同时保持所有UE的信号完整性？
• RQ5 不同发射功率水平与ADC分辨率如何影响HDR MIMO的误码率（BER）性能？

主要发现

• HDR MIMO在高功率动态范围和低ADC分辨率条件下，显著优于未使用空间变换的传统系统。
• HR-ISO与HR-MAX两种方法的BER性能几乎完全相同，表明其在不同信号聚焦策略下均具有鲁棒性。
• HR-ISO在实际应用中更优，因其计算复杂度更低，避免了协方差矩阵计算与特征值分解。
• 即使采用小规模模拟波束成形变换（如仅针对少数天线），性能也几乎与大规模变换相当，表明HDR MIMO具有良好的硬件友好性。
• HDR MIMO的优势随最强UE接收功率的提升和ADC分辨率的降低而增强，证实其在实际毫米波系统中的适用性。
• 理论分析证明，Householder反射实现了信号能量投影的理论上限，确认了其在能量聚焦中的最优性。